基于UTISS的車路網協同系統設計

劉欣萌

(西安航空學院經濟管理學院，陜西 西安 710077)

基于UTISS的車路網協同系統設計

劉欣萌

(西安航空學院經濟管理學院，陜西 西安 710077)

為了研究有限空間和復雜車輛間的耦合關系，有效提升車輛運用和道路使用效率，緩解交通壓力及保障出行安全，對泛在交通信息服務系統(UTISS)和車路協同系統相結合的理念進行了研究，構建了基于UTISS的車路網協同系統。首先，分析了交通信息系統的發展，對比了我國和美國的智能交通發展情況。其次，以交通流和信息流為核心，提出了本系統的設計理念和物理框架，即交通流描述車車、車路系統的信息交互，信息流針對的是網絡端以及對象端的信息傳輸。最后，針對系統的應用層面，對多車道進行路段仿真，從車輛運行的跟馳規則和變道規則出發，分析了系統應對變道現象和對沖突現象作出的反應。結果表明，該系統能比駕駛員更好地對城市擴張情況下的多路段變道情況進行預判，為智能交通服務系統和車路網協調發展提供設計理念和理論支持，也為交通系統的信息共享和智能化發展提供了依據。

智能交通； 車路協同系統； 泛在交通信息服務系統； 泛在網絡； 多車道； 路段仿真; RFID

0 引言

近年來，中國城市智能交通市場規模增長迅速，“綜合運輸與智能交通”是交通科技領域“十三五”規劃布局的重點專項之一。

在電子信息、無線通信等技術的推動下，“車路協同”系統應運而生，彌補了目前交通基礎數據實時性、可靠性等方面存在的不足[1]。

交通信息服務系統(traffic information service system,TISS)是智能交通系統(intelligent transportation systems，ITS)的一個重要組成部分，為交通參與者和管理者提供實時、準確、全面的交通信息，從而使其作出有針對性的行為和管理決策，是提升整個交通運輸系統的經濟效益和社會效益的有效手段。

1 交通信息服務系統發展

交通信息服務系統主要由交通信息采集、傳輸、處理和服務4部分構成[2]。交通信息采集是利用視頻、波頻等多種檢測方式，在時間和空間上對交通系統進行采樣的過程。交通信息傳輸是將采集到的交通信息通過公共或專用的通信網絡發送給交通信息處理中心，常見的傳輸方式包括專用光纖、以太網、無線移動數字通信GPRS和增強型數據速率GSM演進技術(enhanced data rate for GSM evolution,EDGE)等。國外發達國家從基礎設施與裝備一體化、多種運輸裝備集成設計、運營調度與服務一體化等多個方面，充分實現綜合貨物運輸方式間的信息共享，不斷提高智能化信息服務水平[3-4]。近年來，我國各種運輸方式都得到了快速發展，但多種運輸方式間的信息交互服務滯后，制約了綜合交通協同與高效服務。智能交通服務系統發展示意圖如圖1所示。對比中國和美國的智能交通服務系統的發展可以發現，美國起步較早[5]，發展迅速，2000年就實現了交通和信息的共享服務，2004年開展汽車和道路設施的集成服務(即國內所說的車路協同)。相比之下，我國2011年提出智能車路協同系統(cooperative vehicle infrastructure system,CVIS)，目前仍在攻克智能交通集成應用和協同運行。

圖1 智能交通服務系統發展示意圖

交通信息服務系統正在從單方面的智能化信息服務應用(如導航系統、ETC、安全駕駛輔助等)向更高層次的合作型(車車、車路)交通信息服務應用演進，且合作型交通信息服務也需要依賴各種網絡通信技術的支撐。在此背景下，本文綜合考慮了智能交通系統的兩大組成部分，即車路協同系統和泛在網絡下的交通信息服務系統，提出了基于泛在交通信息服務系統(ubiquitous traffic information service system,UTISS)的車路協同系統。

2 車路協同理念

車路協同系統是由多種高新技術和理論組成的復雜系統，需要多種通信技術支持實現其短距離通信和遠程通信，通過其中的智能感知技術可以方便地獲取交通控制與誘導協同所需要的各種數據，是協同模型建立的基礎[6]。

狹義的車路協同系統特指交通信號控制系統，即利用智能交通系統對路側系統、智能車和車聯網等交通物聯網關聯的關鍵技術，通過交通安全控制應用于城市的交通管理和調控，從而形成智能化的交通管理控制模式。廣義的車路協同系統指通過先進技術，例如無線通信、信息感知等進行車輛和道路信息的釆集、交互，并以此來實現車車之間、車路之間的智能協同與配合的復雜系統[7]。CVIS的主要思想是運用多種學科的交叉與相互融合的方式，大量采用大型并行計算、RFID傳感器網絡等高新技術，實現車輛和道路信息的智能感知以及行人、車輛、道路三位一體協調發展，增強交通信息的應用效率和水平，為緩解交通擁堵、提高路網運行效率、解決交通環境問題等發揮重要的作用，同時也為所涉及的學科和產業提供新的發展方向和機遇，進而促進學科交叉理論與技術的發展和創新[8]。

本文所提及的車路協同系統是廣義的車路協同系統。

3 基于UTISS的車路協同系統

3.1 泛在交通信息服務系統

泛在交通信息服務系統和車路協同系統相結合，可以給車路系統提供技術保障，提高智能交通系統的協調性和安全性，從而為整個智能交通服務系統以及車路系統搭建更廣闊的技術平臺。UTISS是智能交通不斷發展的趨勢。

相比于傳統互聯網，泛在網絡的研究對象側重于人與物，且同時關注了現實和虛擬兩種情況，更利于個性化的服務定制和應用。而傳統互聯網只是側重于虛擬世界的信息交換，對象是人[9]。泛在網絡被廣泛應用于衛星定位、手機互聯、室內定位、交通攝像、視頻監控、環境監控等方面。

本文搭建的基于UTISS的車路協同系統，可以將互聯網的信息空間與車路之間的物理空間相結合，在算法和云平臺的支持下完成數據的實時對接和交互共享，向用戶提供更加準確和全面的交通信息。在車上安裝該系統，可以檢測到周圍的車輛運行情況，使駕駛員按照提示去開車。該系統可以向公交車提示前方的紅綠燈時長，使其加速或者是慢速運行；更可以通過公交車上系統信號的反饋，讓綠燈多開幾秒以允許公交車直接通行。以上就是這個系統的簡單應用。

3.2 基于UTISS的車路網協同系統的邏輯框架

基于UTISS的車路網協同系統是把新一代移動通信技術融入到交通信息服務中，使出行者通過移動終端成為整個交通系統可控的組成部分。交通信息的發布，影響并改變了部分人的交通行為(路線、出行方式、出行時間等)。

該系統的核心是交通流和信息流。交通流的構成要素包括車車系統和車路系統，而實現車車、車路動態信息的交互，信息的采集、共享等，需要借助信息流，即云計算、大數據、移動互聯技術等泛在網絡的支持。出行者最終通過智能電子設備獲得交通信息。基于UTISS的車路協同系統邏輯框架如圖2所示。

圖2 基于UTISS的車路協同系統邏輯框架

各種新型和先進的信息網絡技術將已有的交通信息服務系統融合應用于車路系統中，這將成為未來交通信息服務系統發展的有效動力和重要趨勢。

4 多車道路段仿真設計

隨著城市化的擴張、交通量的增加，規劃過程中對車道數的需求量也相應增加。因此，在一定程度上，駕駛員對道路信息的獲取水平和預判能力也需提高。本文所提出的系統依托網絡通信技術和交通仿真技術，可以降低因駕駛員生理狀態導致的信息收集速度降低、準確度下降等問題。在交叉口，車輛主要受信號燈的影響[10]，因此較易控制和作出相應反應；而在路段中，有限空間和復雜的車輛間的耦合關系復雜。因此，本文主要針對多車道路段進行車路網協同系統設計。

4.1 車輛運行規則

本系統可以獲知路段車流的密度，在車輛行駛過程中，提前將建議的車速告知駕駛員，從而減少制動次數、降低車輛的排放和油耗，有效緩解交通壓力。車輛在道路上行駛，存在跟馳和變道兩種情況。

①跟馳規則。

車輛在道路行駛，必須保證安全車距。在跟馳的過程中，當前方出現事故時，駕駛員必須作出相應的制動反應。制動過程可以概括為反應階段、減速/加速階段和勻速跟馳/停止階段[11]。在路況良好的情況下，整體車速增加；若有擁堵發生，則整體車速下降。采用本系統，可以提高駕駛員反應速度、減少反應時間及作出更合理的決策。

②變道規則。

單車道不存在變道；雙車道的車輛只需要考慮同方向的車輛的運行情況，進行變道操作；對于3車道而言，駕駛員不僅需要考慮原車道的車輛運行情況，還需要考慮左右兩側的車道車輛的情況，并根據周圍車輛作出是否可以變道的預判。隨著城市的發展，雙向8車道、雙向10車道的道路也越來越多。對于3車道以上的道路，原則上不能跨道操作，所以對于每一輛車，實質仍是觀察原車道和左右車道的車輛情況[12]。系統變道流程如圖3所示。

圖3 系統變道流程圖

4.2 實例分析

以一個單向3車道為例，車行方向由右至左，車輛變道示意圖如圖4所示。根據跟馳規則，車輛沖突點較少，所以本文只對變道規則進行詳述。

假設根據車輛變道情況，有t1和t2這2個時刻。在t1時刻，車輛都處于跟馳狀態，在t1～t2時間段里，車輛C12和C21發生變道操作，分別換到了相鄰的道路2和道路3。圖4中，虛線表示跟馳位置和實際位置的變化，點虛線表示跟馳情況下t2時刻車輛位置。C12駕駛員若不能作出C21會變道的預判，則在原預判中，C12和C21會因距離過近而喪失變道的機會。本系統結合周圍車輛情況，可以及時提醒駕駛者作出正確預判，使得交通流更加順暢。

圖4 車輛變道示意圖

在行駛過程中，也經常出現另一種情況，即變道沖突，如圖5所示。對于車C12和C32來說，其水平位置相近，車速也相近，且都想換到中間的道路2上，此時會產生變道沖突。若C12和C32同時換到道路2，不僅2輛車會存在排隊現象，而且會影響到道路2的C22和道路3的C33駕駛員因路況不明而減速，使車流行駛緩慢。本系統預判效果先于駕駛員，能提前對周圍環境和沖突進行化解，有效緩解交通擁堵，疏散交通。

圖5 變道沖突示意圖

基于UTISS的車路網協同系統，可以應用于避免車輛碰撞、安全預警、不停車收費、公交優先、路網協同管理、車隊自適應巡航(跟馳、超車)等場景，以及為特種車輛提供對交通信號相位的主動控制等關聯(紅燈早斷、綠燈延長)。該系統從構思、建立模型到算法編程、試驗、開發，需要反復的推敲和大量的投入。在模擬場景下對建設過程中的不可控因素不斷修正和試驗，可以減少人力和物力成本，將不可逆投入降到最低。

5 結束語

泛在網絡平臺下的智能交通服務系統是未來交通信息服務系統的發展方向，車路協同系統也一直是世界交通研究的前沿和熱點。大力發展基于UTISS的車路網協同系統，可以使公共交通更加便利，更好地協調和緩解城市擁堵、出行不便以及環境污染等問題，同時給無人駕駛技術提供技術支持。未來，隨著綜合交通的發展和便捷出行要求的不斷提升，信息共享和智能化服務技術將得到充分發展和應用，實現大范圍的道路暢通。

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[12]李珣.車路協同下多車道微觀交通誘導與控制研究[D].西安:西北工業大學,2015.

Design of the Cooperative Vehicle Infrastructure System Based on UTISS

LIU Xinmeng

(School of Economic Management,Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China)

In order to study the coupling relationship between limited space and complex inter-vehicle，effectively improve the efficiency of both vehicle and road use,alleviate traffic pressure and guarantee travel safety，the combined concept of ubiquitous traffic information service system(UTISS) and vehicle-road coordination system is studied，and the cooperative vehicle infrastructure system based on UTISS is constructed.Firstly,the development of traffic information system is analyzed,and the developing situations of intelligent traffic in our country and in the United States are compared.Then the design concept and the physical framework of the system are put forward based on the traffic flow and information flow.The information interaction among the vehicles and the vehicle-road system is described by traffic flow,and the information transmissions of the network end and the object end are described by information flow.Finally,in accordance with the application layer of system,the road section simulation of multi-lane is conducted.Based on the vehicle driving and following rules and lane changing rules,the reaction of the system on the phenomenon of lane changing and conflict is analyzed.The results show that under multi-lane changing conditions under the urban expansion,the system is better than the driver for prejudging.The design concept and theoretical support for the development of the intelligent transportation service system and the coordinative development of the transportation network are presented,and the basis of information sharing and intelligent development of traffic system is provided.

Intelligent transportation; Cooperative vehicle infrastructure system; Ubiquitous traffic information service system (UTISS); Ubiquitous network; Multi-lane; Road simulation; RFID

2017年度西安航空學院校級科研基金資助項目(2017KY2233)

劉欣萌(1990—)，女，碩士，助教，主要從事綜合運輸組織與管理等方向的研究。E-mail：13120872@bjtu.edu.cn。

TP13；TH-39

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708012

修改稿收到日期:2017-04-05